生物降解塑料

生物降解塑料的研究现状与发展前景

０前言

随着塑料工业的迅速发展，全球塑料年产量已超过１亿ｔ。据不完全统计，２０１０年我国塑料制品产量超过５８００万ｔ，其中相当一部分是一次性塑料材料。由于其量大、分散，很难回收再利用，绝大部分成为白色垃圾，对环境造成严重污染［１］。

为治理塑料废弃物对生态环境造成的污染，降解塑料应运而生，并在近些年获得了较快的发展，取得了显著的经济效益和社会效益。生物降解塑料已成为全球瞩目的研发热点。１生物降解塑料的发展现状

１．１国内现状

我国降解塑料的研发起步于２０世纪７０年代的光降解塑料，８０年代研发淀粉添加型降解塑料，９０年代的研发重点是光降解、碳酸钙填充光降解、淀粉添加型部分生物降解、淀粉添加型热氧化生物降解以及热氧化降解等降解塑料。上述降解塑料具有一定降解功能，且使用性能和价格较接近普通塑料，因此，一度受到市场青睐［２－３］。但它们均属不完全降解塑料。其降解后的碎片仍残留在农田和土壤中。虽然经十余年的跟踪试验证明：降解碎片对土容量、密度、土壤水运动、孔隙污染的影响很小，对农作物生长也无不良影响；但其长期积累对农作物生长有无影响尚缺乏长期应用跟踪试验数据的证明，而且也缺乏权威的评价方法和标准，致使多年来人们对此类降解塑料一直存在着较大的争议，发展也受到一定的制约。

近年来随着生物降解塑料生产技术日趋成熟、生产规模不断扩大、产品价格下降，我国也掀起了新的研发生物降解塑料的热潮，并取得了可喜的进展［４］，种类繁多的降解塑料产品已经进入中试或批量生产。

１．２国外现状

近年来欧美发达国家十分重视生物降解塑料，特别是原料来自可再生资源或工业废气（如二氧化碳）的生物降解塑料的发展，投入了大量的人力物力，加快其实用化和产业化进程。

（１）美国降解塑料的消费量逐年增加，２０００年其降解塑料需求量达到１１９．３万ｔ，占塑料总消费量的３．３％，其中生物降解塑料４６．６万ｔ，光解降塑料３７．５万ｔ，光／生物降解塑料２９．３万ｔ，其它５．９万ｔ。美国是世界上研究开发生物降解塑料的主要国家之一。从事研究开发的主要单位有十多家，包括企业、研究所和大学等。美国最大的降解塑料研究组织是以ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓＬｏｗｅｌｌ为首的聚合物降解研究联合体。其宗旨是促进生物降解和其它环境降解聚合物的基础研究、教育及在设计、合成、特性、测试和加工等方面进行培训，同时促进生物降解塑料在农业、包装、生物医学等领域的应用，环境及野生动物保护以及加强与塑料废弃物处理研究中心的技术交流等。

（２）近年来日本对生物降解塑料的研究开发给予了极大的关注。日本通产省已将生物降解塑料列为金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新材料”。日本在１９８９年由５７个企业、学校等联合成立了生物降解塑料研究会。该研究会在对生物降解塑料生产应用、发展动向、技术进展、试验评价方法等方面进行了大量调研和交流工作，对促进和引导日本生物降解事业的发展起了一定作用。目前研究会会员已发展到７０家。

（３）目前全球研发的生物降解塑料已达几十种，进行批量生产或工业化生产的品种包括：微生物发酵合成的聚羟基脂肪酸酯（ＰＨＡ），化学合成的聚乳酸（ＰＬＡ）、聚己内酯（ＰＣＬ）、聚丁二酸丁二醇酯（ＰＢＳ）、脂肪族／芳香族共聚酯、二氧化碳／环氧化合物共聚物（ＡＰＣ）、聚乙烯醇（ＰＶＡ）等，可降解塑料与淀粉的共混物，如淀粉／ＰＶＡ、

淀粉／ＰＣＬ和淀粉／ＰＬＡ等［６］。美国ＤｕＰｏｎｔ公司、ＥａｓｔｍａｎＣｈｅｍｉｃａｌ公司开发的脂肪族／芳香族共聚酯，商品名分别为“Ｂｉｏ－ｍａｘ”和“ＥａｓｍｒＢｉｏ”，已建成年产万ｔ级生产规模；ＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌ公司开发的ＰＣＬ，商品名“Ｔｏｎｅ”，已建成４５００ｔ／ａ规模的生产线，并已批量生产；ＮｏｖｏｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ公司开发的淀粉基塑料系列产品，已建成年产４．５万ｔ规模的工业化生产线，商品名为“Ｎｏｖｏｎ”，已用于垃圾袋、餐具、尿布、农膜等。德国已商品化的产品有Ｂｉｏｔｅｃ公司开发的淀粉基塑料“Ｂｉｏｐｌａｓｔ”，已用于生产餐饮具、托盘或与ＰＣＬ，ＰＬＡ等共混生产薄膜产品［７］。生物降解塑料的分类及降解机理。

２．１生物降解塑料的分类

按降解机理的不同，生物降解塑料可分为不完全生物降解塑料和完全生物降解塑料。其中不完全生物降解塑料是指在常规塑料（如ＰＥ，ＰＰ，ＰＶＣ等）中通过共混或接枝混入一定量的（通常质量分数为１０％～３０％）具有生物降解特性的物质。这种塑料在大自然中不能完全降解。完全生物降解塑料是指在使用中能保证与常规塑料相近的物理力学性能，废弃后能被自然界中的细菌、真菌等微生物分解成低分子化合物，并最终分解成水和二氧化碳等无机物的高分子材料。因其起到了很好的保护环境的作用，所以又被称为“绿色塑料”［８］。按制备方法的不同，生物降解塑料可分为：

（１）微生物合成降解塑料

微生物合成降解塑料是微生物把某些有机物作为食物源，通过生命活动合成的高分子化合物。这类生物降解塑料以ＰＨＡ类为多。ＰＨＡ是由微生物通过各种炭源发酵而合成的不同结构的脂肪族共聚聚酯。其中最常见的有ＰＨＢ，ＰＨＶ及ＰＨ－ＢＶ。ＰＨＢ是一种具有良好生物降解性能的热塑性聚酯。它的许多物理性能和力学性能与ＰＰ的接近，且具有生物降解性和相容性，在生物体内可完全降解成β－羟基丁酸、二氧化碳和水。用这种生物降解塑料制成的材料可用于药物释放系统、植入体及可以在人体中分解而不产生有害物质的器件［９］。

（２）化学合成降解塑料

化学合成法合成的降解塑料大多是在分子结构中引入能被微生物降解的含酯基结构的脂肪族聚酯。具有代表性的产品有ＰＣＬ，ＰＢＳ和ＰＬＡ等。冀玲芳等将ＰＣＬ与热塑性淀粉、ＰＥ进行共混，得到了加工性能、力学性能、生物降解性均非常优异的降解塑料。ＰＢＳ具有良好的热稳定性和较高的相对分子质量。将其与熔点较高的芳香族聚酯等共聚而制得比普通ＰＢＳ熔点高，又能保留其原来生物降解性的共聚降解塑料。另外，加入己二酸、乙二醇等共聚组分，还可改善ＰＢＳ的生物降解性。以ＰＢＳ为基体材料制造的各种相对分子质量高的聚酯产品主要是发泡材料，常用作电子电气等的包装材料。

（３）天然高分子共混降解塑料

用一些既能生物降解又具良好物理性能的天然高分子化合物，如纤维素、甲壳质、淀粉、废糖蜜、蛋白质等作为塑料代用品。

２．２生物降解塑料的降解机理

生物降解塑料发生降解时需要具备以下４个

基本条件：

（１）微生物，如霉菌、细菌、放线菌等；

（２）氧气、水分和矿物质；

（３）根据有机体种类选择适宜温度，一般为２０～６０℃；

（４）ｐＨ值５～８。

生物降解塑料的降解过程主要有３种：